HOMOLOG REKOMBINATION: FUNKTIONER, MEKANISM OCH APPLIKATIONER - BIOLOGI - 2025

Den homologa rekombinationen är en process som involverar utbyte av DNA-molekyler mellan liknande eller identiska delar av genomet. Celler använder homolog rekombination främst för att reparera pauser i genetiskt material, vilket genererar genetisk variation i populationer.

I allmänhet innebär homolog rekombination den fysiska parningen mellan homologa områden av det genetiska materialet, följt av brytningen av kedjorna som kommer att genomgå utbytet, och slutligen föreningen av de nya kombinerade DNA-molekylerna.

Rekombination mellan två homologa kromosomer.
Källa: Emw

DNA-brott måste repareras så snabbt och effektivt som möjligt. När skadan inte repareras kan konsekvenserna vara allvarliga och till och med dödliga. Hos bakterier är den huvudsakliga funktionen av homolog rekombination att reparera dessa pauser i det genetiska materialet.

Homolog rekombination anses vara en av de viktigaste mekanismerna som möjliggör genomets stabilitet. Det finns i alla livsområden och till och med i virus, så det är förmodligen en viktig mekanism som verkade mycket tidigt i livets utveckling.

Historiskt perspektiv

En av de mest relevanta principerna som föreslagits av Gregor Mendel består av oberoende i karaktärsegregeringen. Enligt denna lag överförs de olika generna från förälder till barn oberoende.

Men 1900 var det mycket tydliga undantag från denna princip. De engelska genetikerna Bateson och Punnett visade att många gånger ärva vissa egenskaper tillsammans, och för dessa drag har principen som Mendel uttalat ingen giltighet.

Efterföljande forskning lyckades belysa förekomsten av rekombinationsprocessen, där celler kunde utbyta genetiskt material. I de fall där generna ärvde tillsammans utbyttes inte DNA på grund av fysisk närhet mellan generna.

Vad är homolog rekombination?

Homolog rekombination är ett cellulärt fenomen som involverar fysiskt utbyte av DNA-sekvenser mellan två kromosomer. Rekombination involverar en uppsättning gener som kallas rec-gener. Dessa koder för olika enzymer som deltar i processen.

DNA-molekyler betraktas som "homologa" när de delar liknande eller identiska sekvenser av mer än 100 baspar. DNA har små regioner som kan skilja sig från varandra, och dessa varianter är kända som alleler.

I levande saker betraktas allt DNA som rekombinant DNA. Utbytet av genetiskt material mellan kromosomer sker kontinuerligt och blandar och omorganiserar generna på kromosomerna.

Denna process förekommer uppenbarligen i meios. Specifikt i fasen där kromosomer kopplas ihop i den första celldelningen. I detta skede sker utbytet av genetiskt material mellan kromosomer.

Historiskt betecknas denna process i litteraturen med det angelsaksiska ordet som passerar över. Denna händelse är ett av resultaten av homolog rekombination.

Frekvensen för att korsa mellan två gener av samma kromosom beror huvudsakligen på avståndet som finns mellan dem; ju mindre det fysiska avståndet mellan dem, desto lägre utbytesfrekvens.

Funktioner och konsekvenser av homolog rekombination

Genetiskt material exponeras ständigt för skador orsakade av endogena och exogena källor, till exempel strålning.

Mänskliga celler uppskattas ha ett betydande antal DNA-lesioner i storleksordningen tiotals till hundratals per dag. Dessa skador måste repareras för att undvika potentiella skadliga mutationer, replikations- och transkriptionsblock och skador på kromosomnivå.

Ur medicinsk synvinkel resulterar DNA-skador som inte repareras korrekt i utvecklingen av tumörer och andra patologier.

Homolog rekombination är en händelse som tillåter DNA-reparation, vilket tillåter återhämtning av förlorade sekvenser, med användning av den andra (homologa) DNA-strängen som en mall.

Denna metabola process är närvarande i alla former av liv, och tillhandahåller en höghet-mekanism som möjliggör reparation av "luckor" i DNA, dubbelsträngade raster och tvärbindningar mellan DNA-strängar.

En av de mest relevanta konsekvenserna av rekombination är genereringen av ny genetisk variation. Tillsammans med mutationer är de de två processerna som genererar variation i levande varelser - kom ihåg att variation är råvaran för evolution.

Dessutom tillhandahåller det en mekanism för att återställa replikeringsgafflar som har skadats.

I bakterier

Hos bakterier finns det ofta horisontella genöverföringshändelser. Dessa klassificeras som konjugering, transformation och transduktion. Här tar prokaryoter DNA från en annan organisme, och till och med från olika arter.

Under dessa processer sker homolog rekombination mellan mottagarcellen och givarcellen.

Mekanism

Homolog rekombination börjar med brott i en av strängarna i den kromosomala DNA-molekylen. Efter detta inträffar en serie steg katalyserad av flera enzymer.

3'-änden där skärningen inträffar invaderas av den homologa dubbla DNA-strängen. Invasionen är avgörande. Med "homolog kedja" menar vi delarna av kromosomerna som har samma gener i en linjär ordning, även om nukleotidsekvenserna inte behöver vara identiska.

Synapse

Denna invasion av strängen placerar homologa kromosomer inför varandra. Detta fenomen med mötetrådar kallas synapse (för att inte förväxlas med synapsen i neuroner, här används termen med en annan betydelse).

Synapsen innebär inte nödvändigtvis en direkt kontakt mellan båda homologa sekvenser, DNA kan fortsätta att röra sig ett tag tills det hittar den homologa delen. Denna sökprocess kallas homolog justering.

D-loopformation

Sedan inträffar en händelse som kallas "strandinvasion". En kromosom är en dubbel spiral av DNA. Vid homolog rekombination letar två kromosomer efter sina homologa sekvenser. I en av helixerna separeras trådarna och denna tråd "invaderar" den dubbla spiralstrukturen och bildar strukturen som kallas D-slingan.

D-slingsträngen har förskjutits av invasionen av brytsträngen och par med den komplementära strängen från den ursprungliga dubbla spiralen.

Holliday-korsningsformation

Nästa steg är bildandet av Holliday-facken. Här är ändarna på de utbyttade trådarna bundna ihop. Denna fackförening har förmågan att röra sig i alla riktningar. Skarven kan gå sönder och bilda flera gånger.

Den sista processen med rekombination är upplösningen av dessa fackföreningar och det finns två sätt eller sätt på vilka cellen uppnår detta. En av dem är klyvningen av unionen eller genom en process som kallas upplösning, typisk för eukaryota organismer.

I den första mekanismen regenererar brytningen av Holliday-korsningen två kedjor. I den andra händelsen "upplösning" inträffar en slags kollaps i facket.

Proteiner inblandade

Ett viktigt protein i rekombinationsprocessen kallas Rad51 i eukaryota celler och RecA i Escherichia coli. Det fungerar i olika faser av rekombination: före, under och efter synapse.

Rad51-proteinet underlättar bildandet av den fysiska förbindelsen mellan det invaderande DNA och det härdade DNA: t. I denna process genereras heteroduplex-DNA.

Rad51, och dess RecA-motsvarighet, katalyserar sökningen efter homologt DNA och utbytet av DNA-strängar. Dessa proteiner har förmågan att kooperativt binda till enkelbands-DNA.

Det finns också paralogiska gener (härrörande från genduplikationshändelser i en avstamning av organismer) av Rad51, kallad Rad55 och Rad57. Hos människor har fem Rad51-paraloga gener identifierats som kallas Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 och Xrcc3.

Anomalier förknippade med rekombinationsprocesser

Eftersom rekombination kräver fysisk bindning på kromosomer är det ett avgörande steg i korrekt segregering under meios. Om korrekt rekombination inte inträffar kan resultatet bli större patologi.

Nondisjunction av kromosomer eller fel i segregering är en av de vanligaste orsakerna till aborter och avvikelser av kromosomalt ursprung, såsom trisomi av kromosom 21, vilket orsakar Downs syndrom.

Även om rekombination vanligtvis är en ganska exakt process, är områden i genomet som upprepas och gener som har flera kopior i genomet benägna att ojämn övergång.

Denna uppfödning ger olika kliniskt relevanta egenskaper, inklusive vanliga sjukdomar som talassemi och autism.

Ansökningar om rekombination

Molekylärbiologer har utnyttjat kunskapen om mekanismen för homolog rekombination för att skapa olika tekniker. En av dessa möjliggör skapandet av "knockout" -organismer.

Dessa genetiskt modifierade organismer gör det möjligt att belysa funktionen av en gen av intresse.

En av de metoder som används för att skapa knockouts består av att undertrycka expressionen av den specifika genen genom att ersätta den ursprungliga genen med en modifierad eller "skadad" version. Genen byts ut mot den muterade versionen med hjälp av homolog rekombination.

Andra typer av rekombination

Förutom homolog eller legitim rekombination finns det andra typer av utbyte av genetiskt material.

När regionerna i DNA som utbyter material är icke-alleliska (homologa kromosomer) är resultatet dubblering eller minskning av gener. Denna process är känd som icke-homolog rekombination eller ojämn rekombination.

Tillsammans kan genetiskt material också bytas ut mellan systerkromatider på samma kromosom. Denna process sker både i den meiotiska och den mitotiska uppdelningen och kallas ojämlik utbyte.

referenser

1. Baker, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). Molekylärbiologi av genen. Benjamin-Cummings Publishing Company.
2. Devlin, TM (2004). Biokemi: lärobok med kliniska tillämpningar. Jag vänt.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Reparation av trådbrott genom homolog rekombination. Cold Spring Harbor-perspektiv i biologi, 5 (11), a012740.
4. Li, X., & Heyer, WD (2008). Homolog rekombination vid DNA-reparation och DNA-skada tolerans. Cellforskning, 18 (1), 99-113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS, & Pfaller, MA (2017). Medicinsk mikrobiologi. Elsevier Health Sciences.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR, & Willard, HF (2015). Thompson & Thompson genetik i medicin e-bok. Elsevier Health Sciences.
7. Virgili, RO, & Taboada, JMV (2006). Mänskligt genom: nya framsteg inom forskning, diagnos och behandling. Upplagor Universitat Barcelona.